Calculateur d'antenne patch microruban pour les concepteurs RF

Les antennes patchs microrubans et les réseaux sont probablement les antennes les plus simples à concevoir après les antennes monopôles et dipôles. Ces antennes sont également faciles à intégrer dans un PCB, à tel point qu'elles sont couramment utilisées dans des systèmes avancés tels que les réseaux d'antennes 5G et les radars.

Ces réseaux d'antennes suivent également un ensemble simple d'équations de conception dans le mode fondamental et dans des modes d'ordre supérieur, de sorte que vous pouvez même les concevoir sans avoir recours à un outil de simulation.

Dans cet article, nous allons présenter les principales équations utilisées pour concevoir une antenne patch microruban qui fonctionne en mode fondamental, et qui permet une extension vers des modes d'ordre supérieur.

Nous proposerons également une application légère de calculateur d'antenne patch microruban qui peut être utilisée pour dimensionner une antenne patch en fonction de l'épaisseur du substrat, de la valeur Dk et de la fréquence de fonctionnement.

Comment fonctionnent les antennes patchs microrubans ?

Les antennes patchs microrubans sont essentiellement des résonateurs ouverts. L'antenne est placée au-dessus d'un plan de masse et le confinement de champ entre l'antenne patch et le plan de masse détermine un ensemble de modes propres dans lesquels l'antenne peut fonctionner (similaire aux lignes de transmission non-TEM).

Les modes propres correspondent à des distributions de champ modal spécifiques à l'intérieur de la cavité résonante créée par l'antenne, bien que ces antennes soient généralement utilisées en mode fondamental.

Vous trouverez ci-dessous une illustration de la distribution du champ autour d'une antenne patch sur un circuit imprimé.

Comme il s'agit d'une structure à résonance ouverte, elle peut rayonner fortement lorsqu'un mode est excité.

Tout comme les autres structures résonantes, la fréquence de fonctionnement se règle facilement en ajustant la longueur et la largeur de l'antenne patch, ainsi que la hauteur au-dessus du plan de masse. L'impédance d'entrée est alors égale au rapport entre les champs électriques et magnétiques autour de l'antenne patch.

Equations de conception d'une antenne patch microruban

La conception d'une antenne patch microruban repose sur les équations suivantes.

Tout d'abord, nous avons une constante diélectrique efficace pour une valeur Dk de substrat de PCB donnée, qui détermine ensuite la largeur et la longueur du patch pour une fréquence de fonctionnement donnée. Le processus de conception se déroule de la manière suivante :

1. Sélection d'une fréquence de fonctionnement (f0)
2. Calcul de la largeur du patch (W) à l'aide de la constante diélectrique (Dk) et de l'épaisseur du substrat (h)
3. Calcul d'une constante diélectrique efficace
4. Calcul de la longueur du patch (L) à l'aide des résultats des étapes 2 et 3 ; cela résout le problème de conception

Lorsque le mode d'ordre supérieur est souhaité, la largeur, la longueur et la fréquence doivent répondre à l'équation suivante :

Notez que le terme L* fait référence à L ci-dessus, plus le deuxième terme à droite :

L'ensemble principal d'équations de conception pour L et W suppose que nous fonctionnons en mode (i, j, k)   (1, 0, 0). La fréquence d'ordre la plus élevée suivante impliquant L* définit une limite pour l'antenne patch en raison de son excitation par le bord.

En remplaçant l'équation ci-dessus de L par cette équation, vous obtenez une équation plus complexe reliant la fréquence et W en prenant h comme paramètre. Cette équation peut ensuite être résolue à la main, en traçant un graphique des intersections ou en utilisant une application de recherche aléatoire comme l'évolution différentielle.

Impédance d'entrée et bande passante

Comme je l'ai mentionné plus haut, l'impédance d'entrée au niveau de l'antenne est égale au rapport entre les champs électriques et magnétiques.

Dans le mode fondamental, les champs sont presque constants sur toute la largeur de la ligne d'alimentation au bord, et l'impédance d'entrée au niveau de l'antenne est donnée par :

Impédance d'entrée d'une antenne patch microruban en mode fondamental (i, j, k) = (1, 0, 0).

Enfin, il existe une bande passante qui peut être définie dans le domaine fréquentiel (unités d'Hz). À noter que cette bande passante est définie en fonction de la fréquence de fonctionnement et de la longueur d'onde dans l'espace libre :

Calculateur d'antenne patch microruban

L'outil de calcul ci-dessous fournit l'impédance d'entrée et les dimensions d'une antenne patch microruban en fonction d'une fréquence de fonctionnement donnée, mais aussi de la constante diélectrique du substrat (Dk) et de la distance au plan de référence à travers le substrat (h).

Prochaines étapes

Une fois l'impédance d'entrée connue, le concepteur devra faire correspondre l'impédance d'entrée au niveau de la connexion de la ligne d'alimentation au patch.

Les guides classiques montrent l'utilisation d'un transformateur d'impédance à quart d'onde, mais ces sections de ligne d'alimentation seront comparables à la taille de l'antenne, ce qui pourrait rendre le système inutilement grand.

Comme ces antennes patchs peuvent avoir des valeurs Q modérées, elles peuvent rayonner efficacement sur des bandes passantes allant jusqu'à environ 10 % de la fréquence porteuse tant que des transformateurs d'impédance ne sont pas utilisés pour l'adaptation d'impédance.

Pour l'adaptation à large bande avec un filtrage passe-bande, un filtre LC d'ordre supérieur peut s'avérer nécessaire. Cela fera l'objet d'un prochain article.

Calculateur d'alimentation en encart d'antenne microruban

Une option pour l'adaptation de l'impédance consiste à utiliser un insert, comme illustré dans l'image ci-dessous. L'encart de la ligne est conçu pour régler l'impédance d'entrée au niveau du bord du patch sur une impédance cible.

Cela fonctionne en tirant parti de la coplanarité entre l'antenne et la ligne d'alimentation, qui produit une certaine capacité le long de la section d'entrée de la ligne d'alimentation.

Les dimensions de la ligne d'alimentation sont indiquées ci-dessous :

La conception de la ligne d'alimentation à insert repose sur l'équation ci-dessous, qui est utilisée pour déterminer la profondeur de l'insert dans le patch de l'antenne.

Les valeurs d'entrée sont une impédance d'entrée cible, qui sera égale à l'impédance de la ligne d'alimentation dans l'antenne patch (généralement 50 Ohms). La ligne d'alimentation atteindra une certaine profondeur dans l'antenne, et le rapport entre la profondeur et l'espacement (D/S) affectera l'impédance d'entrée.

L'équation de conception requise reliant la profondeur de l'encart, l'impédance de l'antenne et l'impédance de la ligne d'alimentation est la suivante :

Notez qu'il existe une dépendance cos^4, ce qui est contraire à la plupart des calculateurs d'antenne microruban.

La plupart des calculateurs indiqueront une dépendance cos^2, mais c'est un point de confusion car la dépendance cos^2 s'applique à une antenne alimentée par sonde. Cela ne s'applique qu'à une antenne alimentée par insert lorsque D/L est grand.

Le principe de conception est simple et suit le processus suivant :

1. La largeur de la ligne d'alimentation requise pour une impédance cible (généralement 50 Ohms) est déterminée
2. Cette impédance permet de calculer la profondeur (D) dans l'antenne patch
3. L'espacement (S) est déterminé

Le calculateur ci-dessous fournit une distance de ligne d'alimentation en insert pour une impédance d'antenne et une impédance de ligne d'alimentation données.

Ici, nous avons calculé la distance d'entrée, mais pas l'espacement. En effet, celui-ci est beaucoup plus difficile à prévoir et nécessite une interpolation à partir de la mesure ou d'un solveur de champ.

Le graphique ci-dessous montre la dépendance en cosinus de l'impédance d'entrée en fonction de D/L en prenant S comme paramètre.

Nous pouvons voir qu'il existe un résultat universel où l'espacement est entre S = (1 à 2)W0 pour une distance d'insert d'environ 0,25L, donnant une impédance d'entrée cible de 50 Ohms.

Le graphique ci-dessus est issu d'une excellente publication décrivant la théorie et la mise en œuvre des antennes patchs :

• Mbinack, Clement, E. Tonye et D. Bajon. « Théorie des microrubans et étude expérimentale pour la caractérisation de l'impédance d'antenne patch microruban rectangulaire alimentée par encart. » Microwave and Aptical Technology Letters 57, # 2 (2015) : pages 514 à 518.

Quand utiliser des antennes patchs microrubans ?

Ces antennes sont très faciles à concevoir et à mettre en œuvre, mais leur utilisation est également limitée par la surface de carte disponible.

Les patchs microrubans peuvent être assez grands car ils reposent sur une excitation résonante entre le patch et le plan de référence. Cela signifie que la taille du patch microruban sera proportionnelle à la longueur d'onde du signal diffusé/reçu par l'antenne.

Une solution plus petite peut être une antenne microruban imprimée, comme une antenne de piste imprimée ou une antenne F inversée. Cette dernière est utilisée dans certaines cartes ou modules MCU populaires, par exemple le module ESP32 Ai-Thinker illustré ci-dessous.

Enfin, je voudrais souligner que les antennes patchs microrubans sont le principal type d'antenne utilisé dans des applications commerciales plus avancées. Deux exemples majeurs sont le radar (courte et longue portée) et la 5G (qui atteint la gamme des mmWave).

Dans les radars, les antennes patchs sont utilisées dans les réseaux patchs alimentés en série pour les réseaux phasés. La raison principale en est que leur taille est beaucoup plus petite à des fréquences plus élevées que l'on trouve dans les bandes mmWave.

En 5G, ces patchs sont utilisés car ils peuvent l'être dans une antenne-réseau avec un émetteur-récepteur à l'arrière d'un PCB ou d'un boîtier, de sorte qu'il est possible de former des réseaux d'antennes très denses.

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